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CN113710992B - 用于表征非均匀的可流动介质的测量设备和方法 - Google Patents

用于表征非均匀的可流动介质的测量设备和方法 Download PDF

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CN113710992B CN202080028851.0A CN202080028851A CN113710992B CN 113710992 B CN113710992 B CN 113710992B CN 202080028851 A CN202080028851 A CN 202080028851A CN 113710992 B CN113710992 B CN 113710992B
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Abstract

本发明涉及一种测量设备(100)，用于表征非均匀的可流动介质，并用于确定介质的密度、质量流量和/或粘度，包括：‑振荡器(10)，其具有至少一个被提供以用于引导介质的振荡测量管，该振荡器具有至少一种振荡模式，其固有频率取决于介质的密度；‑用于激励振荡模式的激励器(17)；‑至少一个振荡传感器(18、19)，用于感测振荡器(10)的振荡；‑操作和评估电路(30)，其被设计为将激励信号施加到激励器，捕获来自于振荡传感器的信号，基于来自振荡传感器的信号确定振荡器的固有频率的当前值和固有频率的波动，并产生包括依赖于波动的介质状态值的介质状态消息，该消息还取决于表征在波动期间占优势的流量的流量的测量值。

Description

用于表征非均匀的可流动介质的测量设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于表征非均匀的可流动介质，尤其是用于确定非均匀的可流动介质的密度、质量流量和/或粘度的测量设备以及用于表征介质的非均匀性的测量设备，其中，测量设备具有至少一个振荡器，介质可以被施加到该振荡器上，并且该振荡器具有至少一种振荡模式，其固有频率取决于介质的密度ρ。这种振荡器可以包括用于传导介质的单个振荡测量管或一对或多对振荡测量管。
背景技术
多相介质可能具有很大的非均匀性，特别是当气体在液相中不以微泡的形式溶解，而是在液相中以游离气泡的形式存在时的载有气体的液体。游离气泡的存在可能是介质的一个重要特性，它的定性和/或定量确定可能很有意义。从非均匀介质流经的测量设备的角度来看，非均匀性表现为密度波动dρ/dt。后者引起振荡器的振荡频率df/dt的波动，这与密度波动dρ/dt相关。因此，对振荡器的振荡频率df/dt波动的分析提供了一种分析密度波动，因此介质非均匀程度的指示的方法。在尚未公开的专利申请DE 10 2018 112 002.8中描述了频率波动的解释方面，特别是关于来自不同测量传感器的数据的可比性。本发明首先涉及用于解释频率波动的另一方面。
发明内容
介质中的非均匀密度分布首先是一种空间现象，只有当介质流过一个观察点时才能作为时间现象被观察到。因此，本发明的目的是提供一种在解释频率波动时考虑到这种现象的测量设备。
根据本发明，该目的通过测量设备来实现。
根据本发明的用于表征非均匀介质的测量设备包括：
振荡器，具有用于传导介质的至少一个振荡测量管，并且具有其固有频率取决于介质的密度的至少一种振荡模式；
用于激励振荡模式的激励器；
至少一个振荡传感器，用于感测振荡器的振荡；以及
操作和评估电路，其被设计为向激励器施加激励信号，捕获来自于振荡传感器的信号，基于来自于振荡传感器的信号确定振荡器的固有频率的当前值和固有频率的波动，并生成具有依赖于波动的介质状态值的介质状态消息，该消息还取决于表征在波动期间占优势的流量的测量的流量值。
在本发明的改进中，除了介质状态值之外，介质状态消息还包含其中确定介质状态值的流态的指示。在本发明的该改进的一个实施例中，流态的该指示包括测量的流量值或测量的流量值的值的范围。
在本发明的改进中，介质状态值被用依赖于测量的流量值的归一化函数来归一化。
在本发明的改进中，介质状态值还是测量的流量值的函数，利用该函数补偿波动的流量依赖性。
在本发明的改进中，测量的流量值包括：流速、质量流量、体积流量或雷诺数；或上述变量的范围指示。
在本发明的改进中，介质状态值包括介质的气体空隙分数或气体空隙分数的值的范围。
鉴于可用的测量设备的通用类型的多样性，需要付出很大的努力才能使用不同测量设备类型在游离气泡的存在方面得出可比较的结果。这通常需要进行一系列测量，其中，将含有游离气泡的介质应用于每个测量设备，并将观察到的振荡器的频率波动捕获为游离气泡浓度的函数或GVF(气体空隙分数)的函数。随后要实施的是一种算法，该算法将观察到的频率波动与介质的非均匀性，尤其是其气体空隙分数的非均匀性联系起来。
为了便于在来自不同测量设备的数据之间进行比较，根据本发明的改进，介质状态值ZM是固有频率中的波动的函数，其中，该函数还具有依赖于固有频率的归一化。这意味着，例如，第一个依赖于波动的函数FA(df/dt)除以第二个依赖于固有频率的函数FB(f)，即：ZM＝FA(df/dt)/FB(f)。以这种方式确定的介质状态值被归一化，因为它能够独立于不同测量设备特有的固有频率来比较介质状态值，因为消除了固有频率对介质状态值的影响。
在本发明的该改进的一个实施例中，该函数与固有频率的波动和固有频率的倒数的三次方成比例。
在本发明的该改进的一个实施例中，该函数还在与固有频率相关联的振荡器的振荡模式中的振荡器的模态刚度成比例。在本发明的该改进的一个实施例中，该函数与固有频率的波动和固有频率的倒数成比例。
在本发明的改进中，振荡器具有用于传导介质的至少一对振荡测量管。
在本发明的改进中，测量设备具有两个振荡器，它们彼此独立并且每个振荡器具有一对测量管，其中，两个振荡器每个具有用于有用弯曲振动模式的不同有用模式固有频率。
在本发明的改进中，介质状态值包括用于对介质进行分类，尤其是用于关于其气体负荷对其进行分类，的指数。
在本发明的改进中，操作和评估电路被设计为将评估分配给测量的密度值、测量的质量流量值和/或测量的粘度值，该评估取决于介质状态值和例如指示介质的非均匀程度。
附图说明
现在基于附图中所示的示例性实施例描述本发明。示出如下：
图1：根据本发明的测量设备的第一示例性实施例的示意图；
图2：示出作为非均匀介质流速的函数的频率波动的图；以及
图3：示出作为流速和非均匀介质的少数浓度的函数的频率波动的图。
具体实施方式
图1所示的根据本发明的测量设备1的第一示例性实施例包括振荡器10，该振荡器包括一对振荡测量管14，这些测量管平行布置并且在入口端法兰11和出口端法兰12之间延伸，其中，法兰每个包括流量分流器或集流器，测量管14通向该分流器或集流器。分流器通过刚性壳体15彼此连接，使得容纳测量管的分流器的振荡在振荡器的有用弯曲振动模式的振荡频率范围内被有效抑制。测量管10刚性连接到入口端节点板20和出口端节点板21，其中，节点板限定了由两个测量管14形成的振荡器10的振荡节点，从而在很大程度上限定了有用的弯曲振动模式的频率。振荡器10被作用在两个测量管14之间的电动激励器17激励而振荡，其中，通过捕获测量管14关于彼此的相对运动的两个振荡传感器18、19来检测振荡。激励器17由操作和评估电路30驱动，后者还捕获和评估来自振荡传感器的信号以便确定测量的密度值和可能的测量的质量流量值。根据本发明，操作和评估电路30还被设计为基于频率波动来确定和使用信号传输密度波动。
通过具有振荡器的密度计(该振荡器具有至少一个用于传导介质的振荡测量管)，可以根据下式基于振荡器的模式特定的、依赖于密度的固有频率fi来确定介质的密度ρ：
系数c0,i和c1,i是特定于模式的系数，它们优选地针对每种测量设备类型或针对每种测量设备被确定。系数c0,i的特征在于传导介质的测量管的质量，而系数c1,i取决于测量管的模式特定刚度。密度的时间导数因此给出为：
密度的时间导数是描述密度波动的合适的度量。为了确定这个值，振荡测量管的观测的频率波动/>也必须乘以归一化因子/>通过这种方式，为评估函数创建了基础，该函数可以独立于特定类型的密度计或其大小以密度波动的形式描述介质的非均匀程度。在本发明的一个实施例中，根据本发明的测量设备的操作和评估电路30被设计成通过上述的具有模式特定的固有频率的三次方的倒数的归一化基于频率波动来执行密度波动：
使用来自申请人公司的两个科里奥利质量流量计的数据来解释上述归一化的效果，两个科里奥利质量流量计即Promass F50和Promass Q50，两者都具有密度计的功能。在气体负荷为1％或2％的水性介质的情况下，观察到的固有频率波动相差约6.6的因子。使用归一化因子/>进行归一化后，这导致密度波动/>的大致相同的值。
在本发明的第二改进中实施对密度波动的类似分析。在这种情况下，操作和评估电路被设计为根据下式确定密度波动：
为了提供相对密度波动的幅度，根据本发明的第三改进设计操作和评估电路以基于根据下式的相对频率波动/>确定幅度：
如果测量点处的介质的密度仅在已知值附近变化几个百分点，但否则从值范围可知，则相对密度波动可以通过使用下式被估计为相对频率波动的函数：
其中，假设多个模式可用于密度测量，ai是特定于测量点或特定于介质以及可选地特定于模式的常数。
所描述的针对密度波动的频率的三次方或针对相对密度波动的频率本身的归一化是有利的，但对于本发明的实施来说不是绝对必要的。本发明的重点是在解释频率波动时考虑流速，现在参考图2和图3对其进行解释。
图2示意性地示出了非均匀介质的作为流速V的函数的频率波动df/dt的过程，该非均匀介质具有成分ai，其例如可以是带有固体负荷的液体、湿气体或载有气体的液体。在这种情况下，少数成分具有例如几个体积百分比的浓度。如果V＝0或介质静止，则流量计中的介质具有恒定的密度。因此，不会发生频率波动。随着流动的开始，测量设备取决于时间受到介质成分的可变局部非均匀分布的影响，这可以观察为例如以频率波动df/dt的形式的密度波动。首先，频率波动df/dt随着速度的增加而增加。但是，如果速度进一步增加，则测量频率值中会包括介质的更大量的平均密度，使得局部密度波动变得不那么重要。因此，频率波动df/dt再次变小。
图3示出了地形表示，其中，频率波动df/dt绘制在流速和少数浓度上。为了创建这样的图，对于特定的非均匀介质的每个不同的少数成分ai，频率波动可以被捕获为速度V的函数。在本图中，少数浓度ai随着指数i的增加而增加，并且可以是例如按体积计算的i％。在创建足够的数据库后，例如在于此处选择的地形表示中，频率波动df/di可以被表示和建模为速度V和少数浓度ai的函数，其中，线fj在每种情况下将相同频率波动df/dt的点连接在一起，其中，波动fj随着指数j的增加而增加。
在测量模式下，成分指数CI可以分配给作为流速V的函数的频率波动df/di，该流速V由介质的瞬时质量流量和当前平均密度产生。取决于流速，对于相同的观测频率波动f5，会产生两个不同的成分指数CI1和CI2，如图3所示。成分指数可能具有不同的意义，其取决于测量点的问题或测量任务。
一方面，成分指数可以对应于少数成分a1或者是少数成分的线性函数。这例如当少数分数a1是要监测或调节的过程变量(例如液体中的固体分数或气体空隙分数)时可以是有用的。
另一方面，成分指数也可能对应于超过临界监测变量；例如，对应于低于a3的少数浓度的所有频率波动将被映射到成分指数CI2，而对应于高于a3的少数浓度的所有频率波动将被映射到成分指数CI1，CI1对应于临界状态。
成分指数CI是本发明含义内的介质状态值，其将以合适的方式被捕获、传送或发信号通知。
在本发明的一个更简单的实施例中，频率波动和相关速度的元组被输出为介质状态值。
在讨论图2和3的上下文下，描述了频率波动df/dt。当然，在确定介质状态值之前，这些频率波动可以用振荡频率的三次方加以归一化，以便根据密度波动确定介质状态值。这同样适用于上述在振荡频率下的归一化，以便基于相对密度波动来确定介质状态值。此外，也可以在质量流量、体积流量或雷诺数上而不是在流速V上进行图2和3中的呈现。根据本发明的实施例，测量设备的操作和评估电路被设计为进行所需的计算。
最后，与图1所示的不同，操作和评估电路还可以包括多个空间分离的模块。介质状态值也可以在远程计算模块中加以计算，所需的原始数据例如以无线方式传输到该模块。

Claims (14)

1.一种用于表征非均匀的可流动介质并用于确定所述介质的密度、质量流量和/或粘度的测量设备(100)，包括：
振荡器(10)，所述振荡器具有用于传导所述介质的至少一个振荡测量管(14)，并且具有其固有频率取决于所述介质的密度的至少一种振荡模式；
激励器(17)，所述激励器用于激励所述振荡模式；
至少一个振荡传感器(18、19)，所述至少一个振荡传感器用于感测所述振荡器(10)的振荡；
操作和评估电路(30)，所述操作和评估电路被设计为向所述激励器施加激励信号，捕获来自于所述振荡传感器的信号，基于来自于所述振荡传感器的信号确定所述振荡器的固有频率的当前值和所述固有频率的波动，并生成具有依赖于波动的介质状态值的介质状态消息，所述消息还取决于表征在所述波动期间占优势的流量的测量的流量值；
其中，所述介质状态值是所述固有频率上的波动的函数，其中，所述函数还包括依赖于固有频率的归一化，并且
其中，所述函数与所述固有频率的波动和所述固有频率的倒数的三次方成比例。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，除了所述介质状态值之外，所述介质状态消息还包含其中确定所述介质状态值的流态的指示。
3.根据权利要求2所述的测量设备，其中，所述流态的指示包括所述测量的流量值或所述测量的流量值的值的范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述介质状态值被用取决于所述测量的流量值的归一化函数来归一化。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述波动取决于相应的流量，其中，所述介质状态值还是所述测量的流量值的函数，利用所述测量的流量值补偿所述波动的流量依赖性。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述测量的流量值包括：流速、质量流量、体积流量或雷诺数，或上述变量的范围指示。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述介质状态值包括所述介质的气体空隙分数或所述气体空隙分数的值的范围。
8.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述函数与所述固有频率的波动和所述固有频率的倒数成比例。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述振荡器具有用于传导所述介质的至少一对振荡测量管。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述测量设备具有两个振荡器，它们彼此独立并且每个振荡器具有一对测量管，其中，所述两个振荡器每个具有用于有用弯曲振动模式的不同的有用模式固有频率。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述介质状态值包括用于对所述介质进行分类的指数。
12.根据权利要求11所述的测量设备，其中，用于对所述介质进行分类的指数是用于关于其气体负荷对所述介质进行分类的指数。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其中，所述操作和评估电路被设计为将评估分配给测量的密度值、测量的质量流量值和/或测量的粘度值，所述评估取决于所述介质状态值。
14.根据权利要求13所述的测量设备，其中，所述评估指示所述介质的非均匀程度。
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